Гидроксилапатит является одним из главных компонентов костной ткани. В сочетании с коллагеном он обеспечивает уникальные прочностные свойства кости. Наноструктура костной ткани (ее композиция) до сих пор является предметом дискуссий. В работе приведены результаты исследования кортикальной костной ткани крыс методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и рентгеновской дифракции. Методом Шеррера установлены размеры кристаллитов гидроксилапатита костной ткани 8.8 x 4.0 нм. Методом ПЭМ зафиксированы таблитчатые кристаллические участки гидроксилапатита в межфибрилярном пространстве коллагена размером от 10 x 5 до 50 x 10 нм. Наблюдаемые в ПЭМ участки представлены кристаллическими агрегатами субблочного строения, что выражается в различной ориентации оси с. При исследовании методом нанодифракции электронов аморфное вещество в костной ткани не обнаружено.
Ключевые слова: гидроксилапатит, костная ткань, биоминерал, наноструктура, ПЭМ, метод Шеррера.
Финансирование. Исследования выполнены в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования РФ (проект № 0721-2020-0041).
Благодарности. Подготовка проб для ПЭМ и съемка проведены на оборудовании Центра коллективного пользования «Нанотех» Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск). Исследования методом рентгеновской дифракции выполнены на оборудовании Томского регионального центра коллективного пользования Национального исследовательского Томского государственного университета (г. Томск). Авторы благодарны рецензенту за конструктивные замечания, позволившие улучшить статью.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, связанных с рукописью.
Вклад авторов. А.А. Бибко, О.В. Бухарова – разработка концепции, исследование; Е.А. Коструб, А.А. Бибко – подготовка биологических образцов; А.А. Бибко, Д.В. Лычагин, М.О. Хрущева – аналитические и экспериментальные работы; А.А. Бибко, О.В. Бухарова, Д.В. Лычагин – написание черновика рукописи; А.А. Бибко, О.В. Бухарова – редактирование финального варианта рукописи. Все авторы одобрили финальную версию статьи перед публикацией.
Для цитирования: Бибко А.А., Лычагин Д.В., Бухарова О.В., Коструб Е.А., Хрущева М.О. Нанокомпозиция гидроксилапатита кортикальной костной ткани. Минералогия, 10(3), 20–31. DOI: 10.35597/2313-545X-2024-10-3-2.

Статья поступила в редакцию 19.04.2024 г., после доработки 10.06.2024 г., принята к печати 10.07.2024 г.

А.А. Бибко, Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск,  Россия; bibko.geology@gmail.com

Д.В. Лычагин, Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск,  Россия;

О.В. Бухарова, Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск,  Россия;

Е.А. Коструб, Сибирский государственный медицинский университет, 
г. Томск, Россия;

М.О. Хрущева, Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск,  Россия

1. Бибко А.А., Бухарова О.В., Коструб Е.А., Мирошниченко А.Г., Коровкин М.В. (2023) Гидроксиапатит костной ткани: динамика кристаллохимических изменений при остеопорозе. Минералогия, 9 (4), 75–89. https://doi.org/10.35597/2313-545X-2023-9-4-6.
2. Кораго А.А. (1992) Введение в биоминералогию. СПб, Недра, 280 c.
3. Рянская А.Д., Киселева Д.В., Панкрушина Е.А., Косинцев П.А., Бачура О.П., Гусев А.В. (2020) Структурные особенности биогенного апатита субфоссильных скелетных остатков (черепов и рогов) северного оленя из Арктической зоны Западной Сибири. Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН. Апатиты, ГИ КНЦ РАН, 477–481. https://doi.org/10.31241/FNS.2020.17.091.
4. Atemni I., Ouafi R., Hjouji K., Mehdaoui I., Ainane A., Ainane T., Taleb M., Rais Z. (2023) Extraction and characterization of natural hydroxyapatite derived from animal bones using the thermal treatment process. Emergent Materials, 6(2), 551–560. https://doi.org/10.1007/s42247-022-00444-1.
5. Bartsiokas A., Middleton A.P. (1992) Characterization and dating of recent and fossil bone by X-ray diffraction. Journal of Archaeological Science, 19(1), 63–72. https://doi.org/10.1016/0305-4403(92)90007-P.
6. Bian S., Du L.-W., Gao Y.-X., Huang J., Gou B.-D., Li X., Liu Y., Zhang T.-L., Wang K. (2012) Crystallization in aggregates of calcium phosphate nanocrystals: a logistic model for kinetics of fractal structure development. Crystal Growth & Design, 12(7), 3481–3488. https://doi.org/10.1021/cg2016885.
7. Brown W.E., Eidelman N., Tomazic B. (1987) Octacalcium phosphate as a precursor in biomineral formation. Advances in Dental Research, 1(2), 306–313. https://doi.org/10.1177/08959374870010022201.
8. Burger C., Zhou H., Wang H., Sics I., Hsiao B.S., Chu B., Graham L., Glimcher M.J. (2008) Lateral packing of mineral crystals in bone collagen fibrils. Biophysical Journal, 95(4), 1985–1992. https://doi.org/10.1529/biophysj.107.128355.
9. Cantaert B., Verch A., Kim Y.-Y., Ludwig H., Paunov V.N., Kro?ger R., Meldrum F.C. (2013) Formation and structure of calcium carbonate thin films and nanofibers precipitated in the presence of poly (allylamine hydrochloride) and magnesium ions. Chemistry of Materials, 25(24), 4994–5003. https://doi.org/10.1021/cm403497g.
10. Dumont M., Kostka A., Sander P.M., Borbely A., Kaysser-Pyzalla A. (2011) Size and size distribution of apatite crystals in sauropod fossil bones. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 310(1), 108–116. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2011.06.021
11. Ficai A., Andronescu E., Trandafir V., Ghitulica C., Voicu G. (2010) Collagen/hydroxyapatite composite obtained by electric field orientation. Materials Letters, 64(4), 541–544. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2009.11.070
12. Frank-Kamenetskaya O.V. (2008) Structure, chemistry and synthesis of carbonate apatites – the main components of dental and bone tissues. Minerals as Advanced Materials I, 1, 241–252. https://doi.org/10.1007/978-3-540-77123-4_30
13. Glimcher M.J. (2006) Bone: nature of the calcium phosphate crystals and cellular, structural, and physical chemical mechanisms in their formation. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 64, 223–282. https://doi.org/10.2138/rmg.2006.64.8
14. Glimcher M.J., Bonar L.C., Grynpas M.D., Lan­dis W.J., Roufosse A.H. (1981) Recent studies of bone mineral: is the amorphous calcium phosphate theory valid? Journal of Crystal Growth, 53 (1), 100–119. https://doi.org/10.1016/0022-0248(81)90058-0
15. Grandfield K., Vuong V., Schwarcz H.P. (2018) Ultrastructure of bone: hierarchical features from nanometer to micrometer scale revealed in focused ion beam sections in the TEM. Calcified Tissue International, 103, 606–616. https://doi.org/10.1007/s00223-018-0454-9
16. Hamed E., Novitskaya E., Li J., Chen P.-Y., Ja­siuk I., McKittrick J. (2012) Elastic moduli of untreated, demineralized and deproteinized cortical bone: validation of a theoretical model of bone as an interpenetrating composite material. Acta Biomaterialia, 8 (3), 1080–1092. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2011.11.010
17. Hodge A.J., Petrushka J.A. (1963) Recent studies with the electron microscope on ordered aggregates of the tropocollagen macromolecule. Proceedings of Symposium
    on Aspects of Protein Structure. London, New-York, Academic Press, 289–300.
18. Ibsen C.J.S., Chernyshov D., Birkedal H. (2016) Apatite formation from amorphous calcium phosphate and mixed amorphous calcium phosphate/amorphous calcium carbonate. Chemistry-A European Journal, 22(35), 12347–12357. https://doi.org/10.1002/chem.201601280
19. Johnsson M.S.-A., Nancollas G.H. (1992) The role of brushite and octacalcium phosphate in apatite formation. Critical Reviews in Oral Biology & Medicine, 3(1), 61–82. https://doi.org/10.1177/10454411920030010601
20. Landis W.J., Hodgens K.J., Song M.J., Arena J., Kiyonaga S., Marko M., Owen C., McEwen B.F. (1996) Mineralization of collagen may occur on fibril surfaces: evidence from conventional and high-voltage electron microscopy and three-dimensional imaging. Journal of Structural Biology, 117(1), 24–35. https://doi.org/10.1006/jsbi.1996.0066
21. Lotsari A., Rajasekharan A.K., Halvarsson M., Andersson M. (2018) Transformation of amorphous calcium phosphate to bone-like apatite. Nature communications, 9(1), 4170. https://doi.org/10.1038/s41467-018-06570-x
22. Miller A.L., Schraer H. (1975) Ultrastructural observations of amorphous bone mineral in avian bone. Calcified Tissue Research, 18, 311–324. https://doi.org/10.1007/BF02546249
23. Nudelman F., Pieterse K., George A., Bomans P.H.H., Friedrich H., Brylka L.J., Hilbers P.A.J., de With G., Sommerdijk N.A.J.M. (2010) The role of collagen in bone apatite formation in the presence of hydroxyapatite nucleation inhibitors. Nature Materials, 9(12), 1004–1009. https://doi.org/10.1038/nmat2875
24. Olszta M.J., Cheng X., Jee S.S., Kumar R., Kim Y.-Y., Kaufman M.J., Douglas E.P., Gower L.B. (2007) Bone structure and formation: A new perspective. Materials Science and Engineering: R: Reports, 58(3–5), 77–116. https://doi.org/10.1016/j.mser.2007.05.001
25. Orgel J.P.R.O., Irving T.C., Miller A., Wess T.J. (2006) Microfibrillar structure of type I collagen in situ. Proceedings of the National Academy of Sciences, 103(24), 9001–9005. https://doi.org/10.1073/pnas.0502718103
26. Pompe W., Worch H., Habraken W.J.E.M., Simon P., Kniep R., Ehrlich H., Paufler P. (2015) Octacalcium phosphate – a metastable mineral phase controls the evolution of scaffold forming proteins. Journal of Materials Chemistry B, 3(26), 5318–5329. https://doi.org/10.1039/C5TB00673B
27. Rabiei M., Palevicius A., Monshi A., Nasiri S., Vilkauskas A., Janusas G. (2020) Comparing methods for calculating nano crystal size of natural hydroxyapatite using X-ray diffraction. Nanomaterials, 10(9), 1627. https://doi.org/10.3390/nano10091627
28. Rogers K.D., Daniels P. (2002) An X-ray diffraction study of the effects of heat treatment on bone mineral microstructure. Biomaterials, 23(12), 2577–2585. https://doi.org/10.1016/S0142-9612(01)00395-7
29. Ryanskaya A.D., Kiseleva D.V, Shilovsky O.P., Shagalov E.S. (2019) XRD study of the Permian fossil bone tissue. Powder Diffraction, 34(S1), S14–S17. https://doi.org/10.1017/S0885715619000174
30. Scherrer P. (1918) Bestimmung der Grosse und inneren Struktur von Kolloidteilchen mittels Rontgenstrahlen. Nach Ges Wiss Gottingen, 2, 8–100.
31. Schwarcz H.P., McNally E.A., Botton G.A. (2014) Dark-field transmission electron microscopy of cortical bone reveals details of extrafibrillar crystals. Journal of Structural Biology, 188(3), 240–248. https://doi.org/10.1016/j.jsb.2014.10.005
32. Simon P., Gruner D., Worch H., Pompe W., Lichte H., El Khassawna T., Heiss C., Wenisch S., Kniep R. (2018) First evidence of octacalcium phosphate@osteocalcin nanocomplex as skeletal bone component directing collagen triple–helix nanofibril mineralization. Scientific Reports, 8(1), 13696. https://doi.org/10.1038/s41598-018-31983-5
33. Song R., Colfen H. (2010) Mesocrystals – ordered nanoparticle superstructures. Advanced Materials, 22(12), 1301–1330. https://doi.org/10.1002/adma.200901365
34. Tao J., Pan H., Zeng Y., Xu X., Tang R. (2007) Roles of amorphous calcium phosphate and biological additives in the assembly of hydroxyapatite nanoparticles. The Journal of Physical Chemistry B, 111(47), 13410–13418. https://doi.org/10.1021/jp0732918
35. Trueman C.N. (2013) Chemical taphonomy of biomineralized tissues. Palaeontology, 56(3), 475–486. https://doi.org/10.1111/pala.12041
36. Verezhak M. (2016) Multiscale characterization of bone mineral: new perspectives in structural imaging using X-ray and electron diffraction contrast. (PhD dissertation). Grenoble, Community Universite Grenoble Alpes, 227 p.
37. Weiner S., Traub W. (1986) Organization of hydroxyapatite crystals within collagen fibrils. FEBS Letters, 206(2), 262–266. https://doi.org/10.1016/0014-5793(86)80993-0
38. Weiner S., Arad T., Traub W. (1991) Crystal organization in rat bone lamellae. FEBS Letters, 285(1), 49–54. https://doi.org/10.1016/0014-5793(91)80722-F
39. Wu C., Sassa K., Iwai K., Asai S. (2007) Unidirectionally oriented hydroxyapatite/collagen composite fabricated by using a high magnetic field. Materials Letters, 61(7), 1567–1571. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2006.07.080
40. Xu Y., Nudelman F., Eren E.D., Wirix M.J.M., Cantaert B., Nijhuis W.H., Hermida-Merino D., Porta­le G., Bomans P.H.H., Ottmann C., Friedrich H., Bras W., Akiva A., Orgel J.P.R.O., Meldrum F.C., Sommerdijk N. (2020) Intermolecular channels direct crystal orientation in mineralized collagen. Nature Communications, 11(1), 5068. https://doi.org/10.1038/s41467-020-18846-2